CN105579171B - 被覆切削工具 - Google Patents

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Abstract

为了得到具有优良的耐崩裂性、耐磨损性以及耐缺损性、且工具寿命较长的被覆切削工具，本发明提供一种被覆切削工具，其具有基材、和在基材的表面形成的被覆层，其中，被覆层包含至少1层Ti化合物层；Ti化合物层为含有Ti元素、和选自C、N、O以及B之中的至少1种元素的化合物；当从上表面观察Ti化合物层的与基材的表面大致平行的研磨面时，Ti化合物层具有被裂纹所包围的区域；在区域的内侧，具有裂纹的一端或者两端不与构成区域的裂纹相接的断续裂纹；区域的平均数密度A和断续裂纹的平均数密度B之间的关系满足0.7＜B/A＜2。

Description

被覆切削工具
技术领域
本发明涉及一种被覆切削工具。
背景技术
以前，为人所熟知的是被覆切削工具用于钢和铸铁等的切削加工，其中，所述被覆切削工具是在由硬质合金构成的基材表面，采用化学蒸镀法以3～20μm的总膜厚蒸镀形成例如由Ti的碳化物、氮化物、碳氮化物、碳酸盐和碳氮氧化物、以及氧化铝之中的1种的单层或者2种以上的多层构成的被覆层而成的。
通常，一般认为如果在碳化钨基硬质合金的表面形成覆盖膜，则由于在覆盖膜中残留拉伸应力，所以被覆切削工具的破坏强度降低而容易产生缺损。迄今为止，提出了在覆盖膜形成后通过喷丸硬化等而产生裂纹、从而使拉伸残余应力得以释放的方案，并取得了相当的效果(例如参照专利文献1)。
再者，为人所知的还有在基材侧下方部分的覆盖膜中具有高密度裂纹、在表面侧上方部分的覆盖膜中具有低密度裂纹的切削工具(例如参照专利文献2)。
现有技术文献
专利文献
专利文献1：日本特开平5-116003号公报
专利文献2：日本特开平6-246512号公报
发明内容
发明所要解决的课题
在近年的切削加工中，高速化、高进给化以及深进刀量化变得显著，可以看到工具寿命比以前更为降低的倾向。在这样的背景下，即便是上述专利文献1所公开的工具，如果单纯增加覆盖膜的裂纹，虽然耐缺损性得以提高，但存在的问题是以裂纹为起点的覆盖膜的耐剥离性、耐崩裂性(resistance to chipping)以及耐磨损性降低。另外，专利文献2所公开的工具虽然上方部分的耐磨损性得以改善，但存在的问题是下方部分的耐磨损性并不充分。再者，还存在下方部分的高密度裂纹成为起点、从而产生覆盖膜的剥离的问题。本发明是为解决这些问题而完成的，其目的在于通过在被覆切削工具的裂纹发生形态上下功夫，从而提供一种具有优良的耐崩裂性、耐磨损性以及耐缺损性、且工具寿命长的被覆切削工具。
用于解决课题的手段
本发明人从上述的观点出发，就延长被覆切削工具的工具寿命反复进行了研究，结果获得了如下的见解：在设计为以下的构成时，不会损害耐崩裂性以及耐磨损性而可以提高耐缺损性，其结果是，可以延长工具寿命。
也就是说，本发明的要旨如下所述。
(1)一种被覆切削工具，其具有基材、和在该基材的表面形成的被覆层，其中，
所述被覆层包含至少1层Ti化合物层；
所述Ti化合物层为含有Ti元素、和选自C、N、O以及B之中的至少1种元素的化合物；
当从上表面观察所述Ti化合物层的与所述基材的表面大致平行的研磨面时，所述Ti化合物层具有被裂纹所包围的区域；
在所述区域的内侧，具有裂纹的一端或者两端不与构成所述区域的裂纹相接的断续裂纹；
所述区域的平均数密度A和所述断续裂纹的平均数密度B之间的关系满足0.7＜B/A＜2。
(2)根据上述(1)所述的被覆切削工具，其中，所述Ti化合物层形成于所述基材的表面，平均层厚为2～20μm。
(3)根据上述(1)或(2)所述的被覆切削工具，其中，所述被覆层在所述Ti化合物层的表面具有平均层厚为1～15μm的氧化铝层。
(4)根据上述(1)～(3)中任一项所述的被覆切削工具，其中，所述Ti化合物层是进一步含有选自Zr、Hf、V、Nb、Ta、Cr、Mo、W、Al以及Si之中的至少1种元素的化合物。
(5)根据上述(1)～(4)中任一项所述的被覆切削工具，其中，所述氧化铝层是进一步含有选自Zr、Hf、V、Nb、Ta、Cr、Mo、W以及Si之中的至少1种元素的化合物。
(6)根据上述(1)～(5)中任一项所述的被覆切削工具，其中，所述被覆层在氧化铝层的表面具有最外层，所述最外层包含选自Zr、Hf、V、Nb、Ta、Cr、Mo、W以及Si之中的至少1种元素、和选自C、N、O以及B之中的至少1种。
(7)根据上述(1)～(6)中任一项所述的被覆切削工具，其中，整个所述被覆层的合计层厚以平均层厚计为3～30μm。
(8)根据上述(1)～(7)中任一项所述的被覆切削工具，其中，所述基材为硬质合金、金属陶瓷、陶瓷以及立方晶氮化硼烧结体之中的任一种。
＜被覆切削工具＞
本发明的被覆切削工具包括基材、和在该基材的表面形成的被覆层。作为被覆切削工具的种类，具体地说，可以列举出铣削加工用或者车削加工用刀口更换型切削刀片(cutting insert)、钻头、立铣刀等。
＜基材＞
本发明的基材例如可以列举出硬质合金、金属陶瓷、陶瓷、立方晶氮化硼烧结体、金刚石烧结体、高速钢等。其中，如果基材为硬质合金、金属陶瓷、陶瓷以及立方晶氮化硼烧结体之中的任一种，则耐磨损性以及耐缺损性优良，因而是进一步优选的。
此外，这些基材即使是对其表面进行改性而成的也没关系。例如，在硬质合金的情况下，也可以在其表面形成脱β层，或者在金属陶瓷的情况下，也可以形成表面硬化层，即使这样地对表面进行改性，也可以显示本发明的效果。
＜被覆层＞
本发明的整个被覆层的合计层厚以平均层厚计，优选为3～30μm。如果低于3μm，则耐磨损性往往较差，如果超过30μm，则与基材的附着力以及耐缺损性往往降低。其中，进一步优选为3～20μm。
＜Ti化合物层＞
本发明的被覆层包含至少1层Ti化合物层。所谓Ti化合物层，是指含有Ti元素作为必须成分、进而含有选自C、N、O以及B之中的至少1种元素的化合物层。在Ti化合物层中，也可以含有选自Zr、Hf、V、Nb、Ta、Cr、Mo、W、Al以及Si之中的至少1种元素作为任选成分。
本发明的Ti化合物层在形成于基材的表面时，使基材和被覆层的附着力得以提高，因而是优选的。本发明的Ti化合物层的平均层厚优选为2～20μm。这是因为在Ti化合物层的平均层厚低于2μm时，可以看到使耐磨损性降低的倾向，另一方面，在Ti化合物层的平均层厚超过20μm时，可以看到使耐缺损性降低的倾向。
本发明的Ti化合物层当从上表面观察与基材的表面大致平行的研磨面时，Ti化合物层具有被裂纹所包围的区域，而且在区域的内侧，具有裂纹的一端或者两端不与构成区域的裂纹相接的断续裂纹。在此，所谓“从上表面观察”，是指从表面的大致法线方向观察研磨面。换句话说，虽然上表面因研磨过而并不存在，但是，它是指从被覆层的表面侧观察的情况即从基材的相反侧观察的情况。另外，区域的平均数密度A和断续裂纹的平均数密度B之间的关系通过满足0.7＜B/A＜2，可以得到因断续裂纹而阻止在切削中产生于被覆层的龟裂的效果，因此，耐崩裂性以及耐缺损性优良。另外，通过具有断续裂纹，可以将切削时脱落的被覆层的粒子抑制在最小限度，因而可以维持耐磨损性。如果区域的平均数密度A和断续裂纹的平均数密度B之间的关系B/A在0.7以下，则断续裂纹的分布并不充分，因而不能得到因断续裂纹而阻止在切削中产生于被覆层的龟裂的发展的效果，从而耐崩裂性以及耐缺损性降低。另一方面，如果区域的平均数密度A和断续裂纹的平均数密度B之间的关系B/A在2以上，则由于断续裂纹的分布较多，因而构成区域的裂纹和断续裂纹容易连接，从而耐缺损性降低。
所谓Ti化合物层的研磨面，是指沿着与基材的表面大致平行的方向对被覆切削工具进行研磨直至Ti化合物层露出而得到的Ti化合物层的面。此时，优选在Ti化合物层的平均层厚的50％以上的层厚位置获得研磨面。此外，在由多种组成的Ti化合物层形成的被覆切削工具中，优选测定平均层厚最厚这种组成的层的区域以及断续裂纹。
所谓在本发明的Ti化合物层的研磨面进行观察的区域，是指被在形成被覆层后的冷却时于被覆层中产生的裂纹、以及因干式喷射或喷丸硬化等加工而于被覆层中产生的裂纹所包围的范围。关于区域的个数，将被裂纹所包围的最小面积设定为1个区域。当在区域中存在更小的区域时，则设定为2个区域。
本发明的区域的平均数密度可以采用以下的方法求出。测定在Ti化合物层的研磨面进行观察的区域的个数。将该区域的个数除以测定的Ti化合物层的面积，则可以求出区域的数密度。将该数密度除以测定的视场的个数，则可以求出平均数密度。
所谓本发明的断续裂纹，是指裂纹的一端或者两端不与构成区域的裂纹相接的裂纹。断续裂纹的形态例如可以列举出在区域中不与任何裂纹相接的形态，以及裂纹从构成区域的裂纹向区域的内侧发展、但不会横断区域而在途中停止发展的形态等。
本发明的断续裂纹的平均数密度可以采用以下的方法求出。测定在Ti化合物层的研磨面进行观察的断续裂纹的个数。将该断续裂纹的个数除以测定的Ti化合物层的面积，则可以求出断续裂纹的数密度。将测定的视场的各数密度进行合计，并除以对该数密度的合计进行测定的视场的个数，则可以求出平均数密度。
本发明的被覆层如果在Ti化合物层的表面含有氧化铝层(以下称为Al2O3层)，则可以抑制因与被切削材料的反应而产生的磨损的进行，因而是优选的。Al2O3层的晶型并没有特别的限定，可以列举出α型、β型、δ型、γ型、κ型、χ型、准τ型、η型、ρ型等。在它们之中，Al2O3层的晶型还优选为在高温下稳定的α型、或者Ti化合物层和Al2O3层的附着力优良的κ型。特别地，在与高速切削等切削有关的区域达到高温的情况下，如果Al2O3层为α型Al2O3层，则难以发生缺损或崩裂。Al2O3层的平均层厚优选为1～15μm。在Al2O3层的平均层厚低于1μm时，前倾面的耐月牙洼磨损性(crater wear resistance)有时降低，如果超过15μm，则有时剥离变得容易发生，从而耐缺损性降低。
在此，图1示出了从上表面观察本发明的Ti化合物层中与基材的表面大致平行的研磨面所得到的照片的一个例子，图2示出了从上表面观察以前产品的Ti化合物层中与基材的表面大致平行的研磨面所得到的照片的一个例子。
〔被覆层的形成方法〕
作为本发明的被覆切削工具中构成被覆层的各层的形成方法，例如可以列举出以下的方法。
例如，TiN层可以采用将原料气体组成设定为TiCl4：5.0～10.0mol％、N2：20～60mol％、H2：剩余部分，并设定温度：850～920℃、压力：100～350hPa的化学蒸镀法来形成。
TiCN层可以采用将原料气体组成设定为TiCl4：10～15mol％、CH3CN：1～3mol％、N2：0～20mol％、H2：剩余部分，并设定温度：850～920℃、压力：60～80hPa的化学蒸镀法来形成。
TiC层可以采用将原料气体组成设定为TiCl4：1.0～3.0mol％、CH4：4.0～6.0mol％、H2：剩余部分，并设定温度：990～1030℃、压力：50～100hPa的化学蒸镀法来形成。
α型Al2O3层可以采用将原料气体组成设定为AlCl3：2.1～5.0mol％、CO2：2.5～4.0mol％、HCl：2.0～3.0mol％、H2S：0.28～0.45mol％、H2：剩余部分，并设定温度：900～1000℃、压力：60～80hPa的化学蒸镀法来形成。
κ型Al2O3层可以采用将原料气体组成设定为AlCl3：2.1～5.0mol％、CO2：3.0～6.0mol％、CO：3.0～5.5mol％、HCl：3.0～5.0mol％、H2S：0.3～0.5mol％、H2：剩余部分，并设定温度：900～1000℃、压力：60～80hPa的化学蒸镀法来形成。
TiAlCNO层可以采用将原料气体组成设定为TiCl4：3.0～5.0mol％、AlCl3：1.0～2.0mol％、CO：0.4～1.0mol％、N2：30～40mol％、H2：剩余部分，并设定温度：975～1025℃、压力：90～110hPa的化学蒸镀法来形成。
TiAlCO层可以采用将原料气体组成设定为TiCl4：0.5～1.5mol％、AlCl3：3.0～5.0mol％、CO：2.0～4.0mol％、H2：剩余部分，并设定温度：975～1025℃、压力：60～100hPa的化学蒸镀法来形成。
TiCNO层可以采用将原料气体组成设定为TiCl4：3.0～5.0mol％、CO：0.4～1.0mol％、N2：30～40mol％、H2：剩余部分，并设定温度：975～1025℃、压力：90～110hPa的化学蒸镀法来形成。
TiCO层可以采用将原料气体组成设定为TiCl4：0.5～1.5mol％、CO：2.0～4.0mol％、H2：剩余部分，并设定温度：975～1025℃、压力：60～100hPa的化学蒸镀法来形成。
Ti化合物层中的区域的平均数密度A和断续裂纹的平均数密度B满足0.7＜B/A＜2的被覆切削工具例如可以采用以下的方法来获得。
形成被覆层之后，如果使用具有纵横尺寸比比以前更大的形状的喷射材料而实施干式喷丸，则可以容易地控制Ti化合物层中的断续裂纹的平均数密度B。如果喷射材料的形状具有锐利的凸部，则是进一步优选的。例如，干式喷丸的条件最好以相对于被覆层表面的投射角度为30～90°的方式，采用80～100m/sec的投射速度、0.5～1分钟的投射时间投射喷射材料。干式喷丸的喷射材料优选为平均粒径是160～200μm的Al2O3和ZrO2等材质。
各层的层厚可以使用光学显微镜、扫描型电子显微镜(SEM)、场致发射型扫描电子显微镜(FE-SEM)等由被覆切削工具的断面组织进行测定。此外，被覆切削工具的层厚可以在从刀口朝向被覆切削工具的前倾面距刀口为50μm附近的位置，测定3个部位以上的各层的层厚，从而求出其平均值。各层的组成可以使用能量分散型X射线光谱仪(EDS)或波长分散型X射线光谱仪(WDS)等由本发明的被覆切削工具的断面组织进行测定。
作为测定Ti化合物层的区域以及断续裂纹的方法，例如可以列举出以下的方法。沿着与基材的表面大致平行的方向将被覆切削工具研磨至使Ti化合物层露出，从而获得Ti化合物层的研磨面。如果采用硝氟酸侵蚀其研磨面，则可以容易地观察到裂纹。使用光学显微镜，以300倍～750倍对其研磨面进行观察，并拍摄出研磨面的照片。使用该研磨面的照片，测定Ti化合物层的区域的个数以及断续裂纹的个数。将测得的区域的个数以及断续裂纹的个数分别除以测定的面积，则可以求出区域以及断续裂纹的数密度。将测得的各视场的区域以及断续裂纹的数密度分别进行合计，并分别除以测定的视场的个数，则可以求出平均数密度A以及断续裂纹的平均数密度B。优选使用研磨面的照片，对0.2mm2以上的范围进行测定。此外，在使用研磨面的照片来测定区域的个数的情况下，对于裂纹在照片的端部被中途中断而不能确认区域是否形成的范围，则设定为0.5个区域。
发明的效果
本发明的被覆切削工具可以产生出如下的效果：由于维持耐磨损性，而且耐崩裂性以及耐缺损性优良，因而与以前相比，可以延长工具寿命。
附图说明
图1是从上表面观察本发明的Ti化合物层中与基材的表面大致平行的研磨面所得到的照片的一个例子。
图2是从上表面观察以前产品的Ti化合物层中与基材的表面大致平行的研磨面所得到的照片的一个例子。
具体实施方式
实施例
以下列举实施例，就本发明进行说明，但本发明并不局限于这些实施例。
作为基材，准备JIS标准CNMG120412形状的86.0WC-1.0TiCN-1.3TaC-0.2NbC-0.5ZrC-11.0Co(以上为质量％)组成的硬质合金制切削刀片。采用SiC刷对该基材的切削刃棱线部实施圆珩磨之后，对基材的表面进行清洗。接着，将基材装入外热式化学蒸镀装置中，在基材表面形成被覆层，从而达到表1所示的被覆层的构成和平均层厚。试料各制作10个。此外，表1的氧化铝层(Al2O3层)的晶型中的α表示α型Al2O3层，κ表示κ型Al2O3层。
对于所得到的试料，在形成被覆层后，实施干式喷丸。发明产品1～10的干式喷丸的条件以相对于被覆层表面的投射角度为45°的方式，采用90m/sec的投射速度、0.5～1分钟的投射时间投射喷射材料。干式喷丸的喷射材料使用纵横尺寸比的平均值为2～4、且在喷射材料的直径最小的位置测定时的平均粒径为50μm的Al2O3。
对于比较产品1以及2，干式喷丸、湿式喷丸均没有实施。
对于比较产品3，使用平均粒径为150μm的钢球的喷射材料而实施干式喷丸。干式喷丸的条件以相对于被覆层表面的投射角度为45°的方式，采用120m/sec的投射速度、1分钟的投射时间投射喷射材料。
比较产品4、5、7、8的干式喷丸的条件以相对于被覆层表面的投射角度为45°的方式，采用90m/sec的投射速度、0.5～1分钟的投射时间投射喷射材料。干式喷丸的喷射材料使用平均粒径为150μm的Al2O3。
对于比较产品6，实施湿式喷丸。以相对于被覆层表面的投射角度为45°的方式，采用120m/sec的投射速度、1分钟的投射时间投射喷射材料。湿式喷丸的喷射材料使用平均粒径为30μm的Al2O3。
关于所得到的试料各层的层厚，是采用SEM测定3个部位的在从被覆切削工具的刀口朝向前倾面的中心部距刀口为50μm的位置附近的断面，并求出其平均值。
为了测定Ti化合物层的区域以及断续裂纹，沿着与基材的表面大致平行的方向对所得到的试料进行研磨直至Ti化合物层露出。对Ti化合物层的研磨面进行调整，以便达到平均层厚的70％的层厚位置，然后用硝氟酸侵蚀Ti化合物的研磨面。使用光学显微镜，以300倍对该Ti化合物层的研磨面进行观察，并拍摄0.33mm2范围的研磨面的照片。对于各试料，准备3个切削刀片，使用各自的研磨面的照片，求出Ti化合物层的区域的个数以及断续裂纹的个数，由这些值求出Ti化合物层的区域的平均数密度A以及断续裂纹的平均数密度B。Ti化合物层的区域的平均数密度A以及断续裂纹的平均数密度B如表2所示。
表2
使用所得到的试料，进行了切削试验1以及切削试验2。直至达到工具寿命的加工距离如表3所示。此外，切削试验1是评价耐磨损性的试验，切削试验2是评价耐缺损性的试验。
[切削试验1]
被切削材料：S45C的圆棒
切削速度：250m/min
进给量：0.30mm/rev
进刀量：2.0mm
冷却液：有
评价项目：将试料发生缺损或者最大后隙面磨损宽度达到0.2mm时设定为工具寿命，测定直至工具寿命的加工时间。
[切削试验2]
被切削材料：在S45C的长度方向等间隔地开有2条槽的圆棒
切削速度：200m/min
进给量：0.40mm/rev
进刀量：1.5mm
冷却液：有
评价项目：将试料直至发生缺损时设定为工具寿命，测定直至工具寿命的冲击次数。冲击次数设定为试料和被切削材料接触的次数，在接触次数最大达到20000次的时间点使试验结束。此外，对于各试料，准备5个切削刀片，测定各自的冲击次数，并由这些冲击次数的值求出平均值，将其设定为工具寿命。
表3
如表3所示，可知通过提高耐磨损性、耐崩裂性以及耐缺损性，发明产品与比较产品相比，直至达到工具寿命的加工时间更长，冲击次数更多，因而工具寿命大幅度延长。

Claims (8)

1.一种被覆切削工具，其具有基材、和在该基材的表面形成的被覆层，其中，
所述被覆层包含至少1层Ti化合物层；
所述Ti化合物层为含有Ti元素、和选自C、N、O以及B之中的至少1种元素的化合物；
当从上表面观察所述Ti化合物层的与所述基材的表面大致平行的研磨面时，所述Ti化合物层具有被裂纹所包围的区域；
在所述区域的内侧，具有裂纹的一端或者两端不与构成所述区域的裂纹相接的断续裂纹；
所述区域的平均数密度A和所述断续裂纹的平均数密度B之间的关系满足0.7＜B/A＜2。
2.根据权利要求1所述的被覆切削工具，其中，所述Ti化合物层形成于所述基材的表面，平均层厚为2～20μm。
3.根据权利要求1或2所述的被覆切削工具，其中，所述被覆层在所述Ti化合物层的表面具有平均层厚为1～15μm的氧化铝层。
4.根据权利要求1或2所述的被覆切削工具，其中，所述Ti化合物层是进一步含有选自Zr、Hf、V、Nb、Ta、Cr、Mo、W、Al以及Si之中的至少1种元素的化合物。
5.根据权利要求3所述的被覆切削工具，其中，所述氧化铝层是进一步含有选自Zr、Hf、V、Nb、Ta、Cr、Mo、W以及Si之中的至少1种元素的化合物。
6.根据权利要求1或2所述的被覆切削工具，其中，所述被覆层含有氧化铝层、和在所述氧化铝层表面的最外层，所述最外层包含选自Zr、Hf、V、Nb、Ta、Cr、Mo、W以及Si之中的至少1种元素、和选自C、N、O以及B之中的至少1种。
7.根据权利要求1或2所述的被覆切削工具，其中，整个所述被覆层的合计层厚以平均层厚计为3～30μm。
8.根据权利要求1或2所述的被覆切削工具，其中，所述基材为硬质合金、金属陶瓷、陶瓷以及立方晶氮化硼烧结体之中的任一种。
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